ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ. РЯДЫ ФУРЬЕ

§ 1. Введение

677. Периодические величины и гармонический анализ.

В науке и технике часто приходится иметь дело с периодическими явлениями, т. е. такими, которые воспроизводятся в прежнем виде через определенный промежуток времени Т, называемый периодом. Примером может служить установившееся движение паровой машины, которая по истечении определенного числа оборотов снова проходит через свое начальное положение, затем явление переменного тока, и т. п. Различные величины, связанные с рассматриваемым периодическим явлением, по истечении периода Т возвращаются к своим прежним значениям и представляют, следовательно, периодические функции от времени t, характеризуемые равенством

Таковы, например, сила и напряжение переменного тока или — в примере паровой машины — путь, скорость и ускорение крейцкопфа, давление пара, касательное усилие в пальце кривошипа и т. д.

Простейшей из периодических функций (если не считать постоянной) является синусоидальная величина. , где есть «частота», связанная с периодом Т соотношением:

Из подобных простейших периодических функций могут быть составлены и более сложные. Наперед ясно, что составляющие синусоидальные величины должны быть разных частот, ибо, как легко убедиться, сложение синусоидальных величин одной и той же частоты не дает ничего нового, ибо приводит опять к синусоидальной величине, притом той же частоты. Наоборот, если сложить несколько величин вида

которые, если не считать постоянной, имеют частоты

кратные наименьшей из них, и периоды

то получится периодическая функция (с периодом Т), но уже существенно отличная от величин типа (2).

Рис. 121.

Для примера мы воспроизводим здесь (рис. 121) сложение трех синусоидальных величин:

график этой функции по своему характеру уже значительно разнится от синусоиды. Еще в большей степени это имеет место для суммы бесконечного ряда, составленного из величин вида (2).

Теперь естественно поставить обратный вопрос: можно ли данную периодическую функцию периода Т представить в виде суммы конечного или хотя бы бесконечного множества синусоидальных величин вида Как увидим ниже, по отношению к довольно широкому классу функций на этот вопрос можно дать утвердительный ответ, но только если привлечь именно всю бесконечную последовательность величин (2).

Для функций этого класса имеет место разложение в «тригонометрический ряд»:

причем суть постоянные, имеющие особые значения для каждой такой функции, а частота дается формулой (1).

Геометрически это означает, что график периодической функции получается путем наложения ряда синусоид. Если же истолковать каждую синусоидальную величину механически как представляющую гармоническое колебательное движение, то можно также сказать, что здесь сложное колебание, характеризуемое функцией разлагается на отдельные гармонические колебания. В связи с этим отдельные синусоидальные величины, входящие в состав разложения (3), называют гармоническими составляющими функции или просто ее гармониками (первой, второй и т. д.). Самый же процесс разложения периодической функции на гармоники носит название гармонического анализа.

Если за независимую переменную выбрать

то получится функция .

тоже периодическая, но со стандартным периодом Разложение же (3) примет вид

Развернув члены этого ряда по формуле для синуса суммы и положив

мы придем к окончательной форме тригонометрического разложения:

в которой мы всегда и будем его рассматривать. Здесь функция от угла х, имеющая период оказывается разложенной по косинусам и синусам углов, кратных х.

Мы пришли к разложению функции в тригонометрический ряд, отправляясь от периодических, колебательных явлений и связанных с ними величин. Важно отметить, однако, уже сейчас, что подобные разложения часто оказываются полезными и при исследовании функций, заданных лишь в определенном конечном промежутке и вовсе не порожденных никакими колебательными явлениями.